留给国产MCU突围的时间不多了
2020年11月26日，中国汽车供应链峰会上，一场颁奖典礼正在举行，汽车芯片企业颇受关注。然而当集成电路类奖项颁给上汽英飞凌时，本该上台领奖的CEO王文学却“失踪”了。当时的他正忙着给德国总部打电话，调集芯片。这位在汽车半导体从业十余年的专家已经嗅到了危机的临近，他在事后接受采访时连声说，“其实我们的产业链一点都不安全，一点都不安全[1]。”2020年第四季度开始，全球汽车行业遭遇了史无前例的芯片短缺，并且延续至今。根据咨询机构AutoForecast Solutions的数据，2021年全球车企因缺芯减产1000万辆，其中中国地区减产200万辆，超过了丰田当年在中国的全部销量。这意味着几千亿的损失，而罪魁祸首仅仅是一些售价几块到几十块不等的小芯片。一位芯片公司高管说，2021年中国几乎所有车企都派出了一位副总级别的高层常驻上海，他们的任务只有一个，搞到芯片，尤其是最为紧缺的MCU。MCU（Microcontroller Unit，微型控制单元）俗称单片机，凡是在需要计算机程序控制的地方，都可以见到它的身影，小到电动玩具、手机，大到家电、汽车。如今一辆汽车中需要用到数十到上百枚MCU，用于车身、底盘、动力系统、智能驾驶以及娱乐系统的控制，一旦缺了其中关键的一枚，汽车就生产不出来。尽管卡住了车企的脖子，但单从技术上来看，MCU并没有那么难——高难度的手机Soc拥有CPU、GPU、存储、基带等各种功能模块，内建百亿晶体管，以7nm工艺生产，仅设计费用就是几个亿美元；与之相比，MCU内只有CPU、存储、外设，CPU内核能够在公开市场上购买（通常是Arm），生产工艺则可以采用比7nm落后五代的40nm。尽管打造一枚国产汽车MCU的技术壁垒不算高，但芯片供应危机重创汽车行业时，依然没有一家足够强大的本土MCU芯片公司站出来成为车企的坚实后盾。那么问题来了，在中国有意提升芯片自主化比例，难度更高的手机SoC、超算芯片都能完成国产替代的今天，理论上更容易突破的MCU，中国企业为何在汽车上迟迟打不开局面？高墙：高风险 低回报
2018年12月，国内首颗车规级32位MCU芯片亮相。MCU按数据带宽可分为8位、16位、32位，位数越大代表性能越好，定位越高端。比如小家电和电动玩具用8位MCU就够，而汽车电子、物联网则需要更多32位支撑。打响突破第一枪的不是MCU厂商，而是本土的地图厂商四维图新。一年之前，四维图新瞅准了汽车智能化的机会，斥资36亿收购了联发科旗下汽车电子部门杰发科技。其实在四维图新向汽车MCU跨界之前，国内据称已有上百家MCU厂商，其中不乏年出货量上亿颗的企业，但他们大多对汽车MCU敬而远之。比如兆易创新活跃在工业和消费电子领域，中颖电子则在家电MCU占山为王。但跨界者的跃跃欲试和老江湖的按兵不动，隐藏着这个行业的残酷事实：汽车MCU对新进入者来说，完全是一桩“高风险，低回报”的生意。本土MCU企业芯旺微对高风险有个直观的总结，“车规标准多、研发周期长、隐形成本高、配套要求高、连带责任大”。以作为基础门槛的车规为例，汽车MCU的角逐中，芯片的可靠性需求远重于性能需求，因此行业对MCU的不良率要求为需≤1DPPM，即百万分之一，与双色球二等奖的中奖概率相当。而在真正装车应用时，大规模车企常常实际要求的不良率是：0。为了让芯片满足严苛的安全要求，汽车行业制定了一整套车规级标准，对一枚芯片从设计到制造、封装的全流程进行认证，这会极大地考验MCU企业与上下游的协同。具体来说，上游的芯片IP提供方需要专门研发“汽车行业专用型IP”，为芯片提供安全冗余。MCU企业基于这些IP设计出属于自己的MCU，便于车规认证。一些MCU企业为了保险，会直接要求上游提供的IP本身即通过功能安全认证。身处中游的MCU厂商，则要在设计出芯片后，花费12-18个月进行大量测试，保证芯片能够耐受住AEC-Q100标准认证中的高低温冲击、复杂电磁环境、极端震动实验等考验，满足功能安全要求，让芯片在量产装车后能够在各种工况下，安全运行10-15年。跨界入局的四维图新便体会到了厂商的艰辛。2018年，杰发的利润仅达到承诺的65%，随后两年收入则从5亿降至3亿，财报在分析了一番外部因素后，诚恳地表示“ 芯片研发投入比预期要高，研发周期较预期略长。”而在下游的制造环节，芯片生产企业（晶圆厂）与封装厂则必须根据IATF 16949要求，建立专门的车规芯片产线，进行6-12个月的认证，期间不得生产其他产品。对可靠性的极度要求，使得MCU车规认证标准严苛、条目繁多、流程漫长，再加上芯片设计、装车测试等环节，企业需要在无业绩的情况下投入短则三年长则五年，这直接劝退了绝大多数观望者。曾在中芯国际任职的一位半导体分析师称，车规的存在成倍地放大了国内外MCU芯片的差距。另外需要说明的是，上面描述的是国内MCU企业清一色采用的fabless模式，资产模式轻，与一体化垂直整合的IDM模式有所区别。就算跨过了门槛，汽车MCU的市场故事，对新进入者来说也不够性感——在2021年之前，这是一个总量不大、毛利较低、需求增长平缓、格局相对稳固的细分市场。2020年，MCU的价格已连年下降，最低时平均价格逼近0.6美元一颗，当年汽车MCU市场规模为65亿美元，仅占全球半导体市场规模的1.5%。总量较小的同时，MCU的毛利率也不算高，即使是行业龙头瑞萨，毛利率也才47%。相比之下，以移动处理器为主业的高通，手机SoC销售均价高达20-30美元，2020年毛利率则超过66%，一个季度的营业额就力压汽车MCU行业一整年业绩。汽车MCU“撅着屁股捡钢镚”的经营模式，使得市场份额集中到成立时间久、具有规模效应的汽车半导体头部企业手中。瑞萨、恩智浦、英飞凌、德仪、微芯、意法等厂商通过并购整合，占据了汽车MCU超过90%市场。固化的行业格局带来了一个结果，海外MCU大厂在长期量产实践中，和下游达成了稳固的客户关系，建设了丰富的“失效场景库”以及芯片失效溯源机制，能够将芯片越做越安全，同时也以芯片为基础建立了开发生态。对车企来说，这意味着更换MCU的机会成本极高。即便有本土企业咬牙拿出了符合车规的MCU，但Tier-1、车企出于安全考虑和生态切换的投入，也很少吸纳其作为主力供应商。因此，在汽车MCU领域，国内企业几乎连亏本售卖打价格战的资格都没有，只能在一些不涉及汽车安全的部位猥琐发育。2019年，四维图新的MCU出货量仅为数百万颗，已经在汽车MCU摸爬滚打7年的芯旺微，该业务营收则为3000万元，与国外大厂差了两个数量级。窄门：短暂的机遇期
2021年，在地震、雪灾、火灾对晶圆厂的轮番洗礼和订单错配下，汽车MCU的供应日益吃紧，海外大厂相继涨价。而在8月，国内车企陷入了彻底断炊的恐惧中，原因是千里之外的疫情，阻断了一块汽车MCU的生产。在国内，博世的ESP车身稳定系统占据70%份额，该系统需要的MCU采购自意法半导体（ST）。但在当时，ST位于马来西亚的芯片封装厂因疫情停产，传导到国内，新车因缺芯开不下产线。投机者则借机大发横财，芯片黑市一度将原价13元的MCU炒上了4000元一枚的天价[2]。缺芯事件，让国内车企彻底意识到，海外芯片企业+海外零部件巨头的MCU供应链并没有想象中那样稳固。扶持本土汽车MCU公司保供的进程陡然加速，国产汽车MCU在2021年迎来了井喷。此前在工控和消费电子领域观望的兆易创新、中颖电子，紧急上马车规级MCU项目，计划2022年量产。在2021年最后半个月，琪埔维、芯旺微、旗芯微、云途半导体相继完成亿元融资，创下了国产汽车MCU融资密度纪录。就连四维图新后来也在财报中扬眉吐气，其汽车MCU业务在2021年同比暴增了10倍。一年时间，国产汽车MCU从门庭冷落，变作风口上的芯。然而，国产汽车MCU能在风口上停留的时间其实有限。一方面，国外厂商只需要通过扩产就能够解决市场的供不应求。在2021年芯片短缺后，瑞萨宣布将汽车MCU扩产50%，承接代工订单的台积电也宣布汽车MCU扩产60%。行业预计，2023年随着新一批产线集中投产，汽车MCU的短缺就将得到缓解。换句话说，留给国产汽车MCU与车企完成绑定的时间只有两年左右。另一方面，技术趋势很可能将汽车MCU逐渐引向一个更集中化、高端化的市场，这更利好具有深厚技术沉淀的海外厂商。近些年，汽车电子电气架构逐渐向集中式过渡，在集中式的架构建立起来后，汽车上的MCU用量将减少，一块高性能的MCU将取代多枚中低端MCU。在高性能汽车MCU领域，英飞凌、瑞萨等相继推出了TC4x、RH850/U2B等产品，芯片拥有更高的时钟频率，更大的内存，一枚芯片能够同时支持多个应用（而不是像传统MCU那样只能运行一个应用），为未来做好了准备。与之相比，国内仅有少数企业如芯驰发布了面向未来的高性能产品E3，整体目前仍然处于“低端打基础，高端待突破”的局面，芯片主要应用在对汽车安全影响不大、性能要求不高的车身控制等领域。这意味着，壁垒森严的汽车MCU市场，其实只给国内企业留下了一道窄门，并且已经开始关闭。命门：卡脖子的老面孔
即便国内汽车MCU芯片企业能够集体崛起，也并不能从根本上解决缺芯的问题。因为在汽车MCU创业热潮中集体涌现的是芯片设计公司，而缺芯的根本原因，是芯片制造环节的产能不足。事实上，国产汽车MCU面临的，是和国内消费电子高端芯片相似的窘境——掌握关键技术的上游与下游都不在大陆，在消费电子芯片上下游分别把持着命门的Arm与台积电，在汽车MCU领域也卡住了脖子。在制造环节，台积电在先进制程一骑绝尘的同时，在汽车MCU所需的成熟制程也积累深厚，拥有最多车规级芯片产线，占据了全球70%车规级MCU产能，不仅海外大厂将部分芯片制造向其外包，国内企业杰发、芯驰等也将其作为代工厂。究其原因，此前国内涉足汽车MCU的芯片企业少、规模小，难以形成有效需求。大陆TOP2的芯片代工厂中芯国际、华虹，此前代工的MCU主要是兆易创新、芯海科技等企业用于消费电子、工业领域的芯片。而尚在襁褓中的汽车MCU公司，在缺芯的背景下很难从他们手中要到产能[4]。而在上游的IP供应环节，由于Arm的强大生态，国内外汽车MCU在芯片设计时绝大多数内核都选择了基于Arm Cortex 的IP，其市场占有率超过50%，仅有少数企业如芯旺微选择自研IP。不过，改变正在发生。在上游的IP供应方面，国内正试图通过基于开源的RISC-V开发MCU，绕开Arm的垄断。而在制造环节，2021年芯片短缺后，中芯国际投资45亿美元扩产，其中大多数都投向了成熟制程，华虹亦开启扩产进程，国内车规级MCU产线因此有望得以扩张。今年5月中旬，外媒报道美国有意进一步扩大半导体设备禁令，中芯国际与华虹赫然在列，也让这场MCU国产化运动显得似乎更有必要。在MCU国产化的进程中，身处终端的车企如何行动将关系到这一目标的成败。在本轮缺芯浪潮中，丰田和宝马都与芯片企业达成了紧密的合作关系，对供应链及时掌握，因而反倒在同行的缺芯中抢占市场，2021年新车销量分别上涨9%、7.4%。而国内车企则被全国政协经济委员会副主任、工信部原部长苗圩痛斥“只会在那儿叫唤”。如果要建立起一个新的国产汽车MCU供应链，车企的供应链管理仅仅穿透至芯片企业其实并不够，还要进一步往芯片IP与芯片制造延伸。华为在2018年之后的举动，已经留下了可以参照的先例：在上游，华为转向开源的IP生态，基于RISC-V打造芯片；而在下游，华为则选择加码先进封装，绕开先进制程来解决芯片制造问题。国内汽车MCU需要一个强有力的角色，从而将本土供应链串联起来。本篇文章来源于微信公众号: 芯世相
